I. PODSTAWY MATERIAŁOZNAWSTWA

Transkrypt

1

2 Spis treêci WSTĘP Część I. PODSTAWY MATERIAŁOZNAWSTWA 1. Budowa materii Fizykochemiczne podstawy budowy materiałów Krystaliczna budowa materii Pytania i zadania Badanie własności mechanicznych materiałów oraz badania technologiczne Próba rozciągania i ściskania Próby zginania i skręcania Próba udarności Podstawy badań zmęczeniowych Próby twardości Brinella, Rockwella i Vickersa Badania technologiczne Badania skrawalności i ścieralności Badania własności plastycznych Badanie własności odlewniczych Wykrywanie wad materiałowych Pytania i zadania Materiały Podstawy metalurgii Metalurgia stali Metalurgia metali nieżelaznych Metalurgia proszków Metale i ich stopy Stopy żelazo-węgiel Miedź i stopy miedzi Aluminium i jego stopy Inne materiały metalowe Korozja metali Pytania i zadania

3 3.3. Obróbka cieplna metali Rodzaje obróbki cieplnej Piece do pełnej obróbki cieplnej Obróbka cieplno-chemiczna Pytania i zadania Tworzywa sztuczne Materiały ceramiczne Kompozyty Nowoczesne (supertwarde) materiały narzędziowe Drewno Szkło i materiały szklane Guma Kleje Farby lakiery i emalie Materiały uszczelniające i izolacyjne Materiały i wyroby spiekane Pytania i zadania Część II. WYTWARZANIE CZĘŚCI MASZYN 4. Pomiary wielkości geometrycznych Dokładność części maszyn i jakość powierzchni Tolerancje i pasowania wymiarów liniowych i kątowych Pomiary geometryczne Warunki techniczne wykonywania pomiarów Pomiary za pomocą wzorców długości i kąta Pomiary wymiarów zewnętrznych, wewnętrznych, pośrednich i mieszanych Pomiary kątów Podstawy pomiarów kół zębatych Pomiary chropowatości powierzchni Pomiary odchyłek kształtu i położenia Skomputeryzowane układy pomiarowe Pomiary na współrzędnościowych maszynach pomiarowych Pytania i zadania Techniki wytwarzania Klasyfikacja technik wytwarzania Obróbka skrawaniem ręczna i ręczno-maszynowa Ustalanie i mocowanie części obrabianych Geometria ostrzy narzędzi skrawających Toczenie i wytaczanie Frezowanie Struganie i dłutowanie Wiercenie, rozwiercanie i pogłębianie Przeciąganie i przepychanie Szlifowanie Pytania i zadania Obróbka na obrabiarkach sterowanych numerycznie Podstawowe pojęcia i idea sterowania numerycznego Układy sterowania numerycznego

4 Rodzaje obrabiarek sterowanych numerycznie i ich wyposażenie Podstawy programowania obrabiarek sterowanych numerycznie Roboty przemysłowe i manipulatory Wprowadzenie do systemów automatycznego programowania obróbki Elastyczne systemy wytwarzania Pytania i zadania Obróbki wykańczające Docieranie Gładzanie otworów (honowanie) Dogładzanie oscylacyjne (superfinish) Obróbka strumieniowo-ścierna Wygładzanie w pojemnikach Nagniatanie powierzchni Polerowanie Powłoki ochronne Pytania i zadania Obróbki erozyjne Obróbka elektroerozyjna iskrowa i impulsowa Obróbka elektrochemiczna Obróbka ultradźwiękowa Obróbka wiązką elektronów Obróbka laserowa Obróbka plazmowa Pytania i zadania Obróbka plastyczna Podstawy procesu obróbki plastycznej Rodzaje plastycznego kształtowania materiałów metalowych Kucie i urządzenia kuźnicze Pytania i zadania Odlewnictwo Charakterystyka procesu odlewania Specjalne metody odlewania Wykańczanie odlewów Pytania i zadania Kształtowanie części metodą metalurgii proszków Pytania i zadania Spajanie materiałów spawanie, zgrzewanie, lutowanie Pytania i zadania Procesy produkcyjne maszyn i urządzeń Dokumentacja konstrukcyjna i technologiczna Typowe procesy technologiczne zasady tworzenia procesów technologicznych Pytania i zadania Przetwórstwo tworzyw sztucznych Pytania i zadania

5 Część III. MONTAŻ 6. Właściwości produktu Organizacja montażu Urządzenia montażowe Przebieg montażu Kontrola i kształtowanie jakości wyrobów Pytania i zadania Część IV. SYSTEMY CAD/CAM/CAE 11.Podstawy wysoko zaawansowanych komputerowych systemów projektowania, wytwarzania i obliczeń inżynierskich Pytania i zadania Część V. NOWE TECHNOLOGIE 12. Obróbka z dużymi prędkościami i posuwami skrawania wspomagana komputerowymi systemami CAM Technologie niekonwencjonalne Obróbki hybrydowe Mikro- i nanotechnologia Technologia kosmiczna Pytania i zadania Spis tablic Literatura Indeks

6 1.2. Krystaliczna budowa materii Oddziaływanie sił spójności między atomami w ciałach stałych jest przyczyną tworzenia się dokładnego uporządkowania przestrzennego atomów tzw. dalekiego zasięgu. W takim przypadku uważa się, że ciała mają budowę krystaliczną. Jeżeli uporządkowanie atomów nie jest wysokiego stopnia, czyli tzw. bliskiego zasięgu, to ciała takie nie mają budowy krystalicznej (np. smoła). Ścisłe uporządkowanie atomów polega na tym, że ich ułożenie powtarza się okresowo wzdłuż linii równoległych do osi przestrzennego układu współrzędnych (związanego z kierunkami uporządkowania). Stan taki jest stanem krystalicznym, a ciało nazywamy kryształem. Środki atomów, a ściślej rdzeni atomowych leżących w narożach równoległościanów, są węzłami sieci krystalicznej (rys. 1.5). W modelu budowy krystalicznej węzły sieci są punktami najbardziej prawdopodobnego położenia środków rdzeni atomowych, ponieważ zgodnie z prawami fizyki wykonują one ciągły ruch drgający. Podstawowym elementem sieci krystalicznej reprezentującym najmniejsze powtarzające się ugrupowanie atomów jest komórka elementarna (patrz rys. 1.5). Określa ona cechy geometryczne danego kryształu, do których należą: długości krawędzi komórki, kąty między krawędziami oraz rodzaj, liczba i rozmieszczenie atomów w komórce. Rozmieszczenie atomów w komórce decyduje o liczbie elementów symetrii kryształu. Linia prosta przechodząca przez dwa dowolne węzły sieci kryształu nazywa się prostą sieciową. Długości boków równoległościanów tworzących komórki elementarne są parametrami sieci. Płaszczyzny, które charakteryzują się jednakowym Rys Sieć krystaliczna i jej elementy 16

7 rozmieszczeniem atomów, tworzą tzw. płaszczyzny sieciowe, które decydują o kierunku i łatwości tzw. poślizgu w odkształceniach plastycznych. W sieci wyznacza się wskaźniki położenia węzłów, kierunków krystalograficznych i płaszczyzn sieciowych. Współrzędne węzłów w sieci określają liczby parametrów a, b, c, które wyznaczają odległości położenia węzła wzdłuż osi x, y, z od początku układu współrzędnych, np. 001 (rys. 1.6). Rys Przykłady oznaczeń charakterystycznych wielkości sieci krystalicznej Prosta w sieci przestrzennej, wzdłuż której są rozmieszczone atomy w równych odległościach, wyznacza kierunek krystalograficzny. Wskaźnik kierunku wyznaczają współrzędne najbliższego węzła sieci, leżącego na prostej równoległej do określanego kierunku i przechodzącej przez ten węzeł oraz początek układu współrzędnych, np. [120]. Położenie płaszczyzn sieciowych wyznacza się za pomocą wskaźników Millera, które w zakodowany sposób podają długości odcinków wzdłuż osi x, y, z, wyznaczonych przez punkty przecięcia osi z tą płaszczyzną, np. (111). Francuski uczony A. Bravais usystematyzował występujące ugrupowania atomów w kryształach w 7 układach krystalograficznych (rys. 1.7), które tworzą 14 typów sieci krystalicznych. W kryształach atomy mogą być obsadzone nie tylko w węzłach sieci, ale również zajmować pozycje wewnątrz komórki. Miejsca nieobsadzone przez atomy tworzą luki, które mają znaczenie przy tworzeniu stopów. Podstawowe schematy elementarnych komórek sieciowych podano na rys Większość metali krystalizuje w sieciach: regularnej płasko centrowanej typ A1, regularnej przestrzennie centrowanej typ A2 i heksagonalnej zwartej typ A3, a niektóre w tetragonalnej. Metale nie krystalizują w układach jednoskośnym i trójskośnym. Niektóre metale w zależności 17

8 Rys Podstawowe układy krystalograficzne wg A. Bravaisa [47] 18

9 Rys Podstawowe typy komórek elementarnych: a) typ A2 przestrzennie centrowana, b) typ A1 ściennie centrowana, c) typ A3 heksagonalna od temperatury i ciśnienia mogą zmieniać typ sieci krystalograficznej. Zjawisko to nazywa się alotropią lub polimorfizmem, a takie przemiany przemianami alotropowymi. Płaszczyzny sieciowe kryształów o odmiennych kierunkach krystalograficznych zawierają różne gęstości atomów. Stan ten jest przyczyną anizotropii, to znaczy, że każdy pojedynczy kryształ ma różne właściwości w zależności od kierunku badania. Kryształy metali i innych pierwiastków są bardzo małe. Tak więc materiały składają się z wielkiej liczby kryształów sąsiadujących ze sobą, czyli mają budowę wielokrystaliczną (polikrystaliczną). Na ogół kryształy mają różną orientację sieci krystalicznej. Jeżeli poszczególne kryształy są rozłożone z jednakowym prawdopodobieństwem we wszystkich kierunkach, to materiał jako całość ma takie same właściwości we wszystkich kierunkach. Cecha ta nazywa się izotropią. Uporządkowania orientacji sieci krystalicznej poszczególnych ziaren można dokonać w wyniku obróbki plastycznej na zimno (rys. 1.9). Wtedy materiał staje się anizotropowy. Rys Ułożenie sieci krystalicznej w kryształach: a) po odlewaniu przed obróbką plastyczną, b) po obróbce plastycznej zgniotem [46] 19

10 W rzeczywistości istnieje wiele przyczyn, które powodują, że kryształy w dużych zgrupowaniach są zdeformowane i nazywa się je wtedy ziarnami lub krystalitami. Rzeczywista struktura metali wykazuje wady budowy krystalicznej, które dzieli się na: punktowe, liniowe i powierzchniowe. Wady te mają wpływ na właściwości metali. Wadami punktowymi nazywa się zakłócenia budowy krystalicznej skupione wokół punktu. Mogą one być spowodowane przez: brak atomu w węźle sieci, tzw. wakans, wtrącenie międzywęzłowe atomu, obsadzenie węzła sieci obcym atomem większym lub mniejszym od atomów podstawowych (rys. 1.10). W wyniku drgań cieplnych sieci krystalicznej może się zdarzyć, że atom tworzący wakans zajmie położenie międzywęzłowe. Jest to tzw. defekt Frenkla. Jeżeli przemieszczenie atomu następuje na powierzchnię Rys Defekty punktowe: a) wakans, b) atom w położeniu międzywęzłowym, c), d) atomy mniejszy i większy od atomów sieci podstawowej w położeniu różnowęzłowym 20

11 metalu, to jest to tzw. defekt Schottky ego (rys. 1.11). Możliwość przemieszczania się atomów w kryształach ułatwia dyfuzję, która ma duże znaczenie w obróbce cieplno-chemicznej. Przyczyną powstawania defektów punktowych są zjawiska zachodzące podczas: krystalizacji, działania sił zewnętrznych, zwiększania temperatury, działania promieniowania rentgenowskiego oraz strumienia neutronów i elektronów. Rys Punktowe defekty sieci krystalicznej wywołane drganiami cieplnymi: a) defekt Frenkla, b) defekt Schottky ego Wady (defekty) liniowe sieci krystalicznych są reprezentowane przez dyslokacje krawędziowe i śrubowe. Mają one duży wpływ na właściwości metali i ich stopów. Dyslokacje to zaburzenia w regularnym rozmieszczeniu płaszczyzn sieciowych. Dodatkowe umieszczenie półpłaszczyzny obsadzonej atomami między płaszczyznami sieciowymi nazywa się dyslokacją krawędziową (rys. 1.12a). Dyslokację nazywa się dodatnią, jeżeli dodatkowa półpłaszczyzna znajduje się w górnej części kryształu oznacza się ją symbolem ; jeżeli znajduje się w dolnej części kryształu, to jest dyslokacją T Rys Schematy dyslokacji w krysztale: a) dyslokacja krawędziowa, b) dyslokacja śrubowa [5] 21

12 ujemną oznacza się ją symbolem T. Dyslokacją śrubową (rys. 1.12b) nazywa się przemieszczenie warstw atomowych wskutek częściowego poślizgu względem płaszczyzny pod wpływem naprężeń stycznych. Wyróżnia się tzw. linie dyslokacji. Linie te przechodzą przez środki atomów ograniczających zaburzenia sieci wewnątrz kryształu. Dyslokacje powodują powstawanie pól naprężeń ściskających i rozciągających. Oddziaływania tych pól mają znaczny wpływ na własności mechaniczne materiałów. Dyslokacje mogą się przemieszczać pod wpływem naprężeń stycznych. Prawa określające ich przemieszczanie się mają duże znaczenie w procesach odkształceń plastycznych. Dyslokacje powstają podczas: krzepnięcia, łączenia się ziaren, obróbki plastycznej i przemian fazowych. Wielkością charakteryzującą rozmieszczenie dyslokacji jest gęstość dyslokacji r. Wyraża ona sumę długości L wszystkich dyslokacji zawartych w jednostce objętości V L r = V 1 2 cm Wartość gęstości dyslokacji wynosi około 10 6 dla materiałów miękkich oraz cm po obróbce plastycznej na zimno. Porównanie układu sieci krystalicznej przed i po obróbce plastycznej przedstawiono na rys Do defektów powierzchniowych należą błędy ułożenia sieci oraz granice ziaren. Defekty powierzchniowe charakteryzują się tym, że mają małą grubość w porównaniu do pozostałych wymiarów. Błędami ułożenia nazywamy nieprawidłowy układ płaszczyzn sieci krystalicznej (rys. 1.13). Granice ziaren to obszary styku sąsiadujących ze sobą ziaren o grubości kilku średnic atomowych. W obszarach tych atomy są rozmieszczone w sposób nieuporządkowany w odniesieniu do odmiennie uporządkowanych orientacji siatek krystalicznych stykających się ziaren. Granice ziaren, które mają małe 1 2 cm Rys Błędy ułożenia: a) brak płaszczyzny sieciowej, b) dodatkowa płaszczyzna sieciowa [47] 22

13 kąty dezorientacji krystalicznej, tj. do 5, nazywają się granicami wąskokątowymi, a pozostałe szerokokątowymi. Granice ziaren w stopach wielofazowych mogą również rozdzielać obszary o różnym składzie chemicznym lub odmiennych parametrach sieci krystalicznej. Granice ziaren dzieli się na koherentne, półkoherentne i niekoherentne. Krystaliczna struktura metali ma ścisły związek ze strukturą ich stopów. Stopy metali ze względu na ich lepsze właściwości w porównaniu z czystymi metalami znalazły bardzo szerokie zastosowanie w technice. Strukturę stopów określają układy równowagi fazowej, które przedstawiają zakresy występowania poszczególnych faz w zależności od temperatury i procentowej zawartości składników stopowych. Przy tym faza jest to jednorodna część stopu oddzielona od innej jego części tzw. granicą międzyfazową. Struktura stopu zależy od: składu chemicznego metali i faz, liczby i względnego udziału faz oraz ich rozmiarów, rozmieszczenia i kształtu. Chemiczne i fizyczne cechy pierwiastków tworzących fazy w stopach decydują o tym, że struktury stopów mogą być tworzone przez: roztwory stałe, związki chemiczne, fazy międzymetaliczne (pośrednie) i fazy międzywęzłowe. Występują dwa podstawowe rodzaje roztworów stałych: roztwory międzywęzłowe, roztwory różnowęzłowe. Roztwory międzywęzłowe charakteryzują się tym, że atomy pierwiastka rozpuszczonego zajmują położenia międzywęzłowe w sieci krystalicznej pierwiastka podstawowego. Jest to możliwe, jeżeli średnice atomów pierwiastka rozpuszczonego są małe w stosunku do średnic atomów pierwiastka podstawowego (rys. 1.14a), co dotyczy np. węgla w stopach żelaza. W roztworach różnowęzłowych atomy pierwiastka rozpuszczonego zajmują pozycje atomów pierwiastka podstawowego (rys. 1.14b). Rys Schemat rozmieszczenia atomów w roztworach: a) międzywęzłowych, b) różnowęzłowych 23

14 Tolerancja to różnica między wymiarami granicznymi (dopuszczalnymi), największym (górnym) i najmniejszym (dolnym) rys Wartość tych odchyłek zależy od warunków pracy części w danym mechanizmie. Podstawowymi przyczynami powstawania odchyłek są: niedokładność obrabiarek i urządzeń pomocniczych, niedokładność narzędzi, drgania i nagrzewanie się układu obrabiarka-przedmiot-narzędzie, naprężenia wewnętrzne i niejednorodność materiału, niedokładność przyrządów i metod pomiarowych oraz zmienność części. Tolerancje części maszyn i ich połączenia (pasowania) są znormalizowane wg PN-EN :1996, PN-ISO 1829:1996 i PN-ISO 2903:1996. Stanowią układ tolerancji i pasowań, zgodny z międzynarodowym układem ISO. Ustalono 20 klas dokładności, oznaczonych: 01, 0, 1, 2, 3,..., 18 (klasa 01 najdokładniejsza, 18 najmniej dokładna). Wartość tolerancji zależy (rośnie) od klasy dokładności i zakresu wymiarów (tabl. 4.1). Pojęcie dokładności jest związane z wartością pola tolerancji, które jest graficznym przedstawieniem tolerancji, oznaczającym obszar zawarty między prostymi równoległymi do linii zerowej, oznaczającymi wymiary lub odchyłki graniczne (patrz rys. 4.2). Temu samemu zakresowi wymiarów w klasie 01, najdokładniejszej, nadano najmniejszą wartość pola tolerancji, a w klasie 18, najmniej dokładnej, największą wartość pola tolerancji. Linia zerowa to linia reprezentująca wymiar nominalny, względem której wyznacza się odchyłki tolerancji. Stopień dokładności rośnie wraz ze zmniejszaniem się wartości pola tolerancji. Klasy dokładności 01 5 stosuje się do bardzo odpowiedzialnych części narzędzi pomiarowych i specjalnych, w klasach 5 12 wykonuje się części maszyn o określonej dokładności (bardzo dokładne, dokładne, średnio dokładne itp.), klasy obejmują wymiary powierzchni swobodnych i surowych, które nie współpracują z innymi powierzchniami części maszyn. Jakość powierzchni określa stopień zgodności rzeczywistej struktury geometrycznej powierzchni z idealną, zadaną na rysunku, z uwzględnieniem własności warstwy przypowierzchniowej. W zakresie odchylenia od powierzchni idealnej nierówności powierzchni rzeczywistej obejmują odchyłki: kształtu, falistości i chropowatości (oraz submikrochropowatości), określone przez wartość stosunku średniego odstępu między wierzchołkami nierówności S do ich wysokości R; S/R 1000 błąd kształtu, 1000 S/R 150 falistość, 5 S/R < 150 chropowatość, S/R < 5 pęknięcia (rys. 4.3). Chropowatość jest określona znormalizowanymi parametrami, przy czym najważniejsze z nich to: średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości Ra, średnia kwadratowa rzędnych profilu chropowatości Rq, wysokość najwyższego wzniesienia profilu chropowatości Rp, głębokość najwyższego wgłębienia profilu chropowatości Ry, największa wysokość profilu chropowatości na odcinku elementarnym Rz, całkowita wysokość profilu chropowatości na odcinku pomiarowym Rt. Własności warstwy powierzchniowej określa kierunkowość 159

15 Tablica 4.1. Wartości liczbowe tolerancji w μm dla wymiarów do 500 mm (wg PN-EN :1996) Przedział wymiarów nominalnych powyżej do mm Klasa dokładności ,3 0,5 0,8 1, ,4 0,6 1 1,5 2, ,4 0,6 1 1,5 2, ,5 0,8 1, ,6 1 1,5 2, ,6 1 1,5 2, ,8 1, ,5 2, ,2 2 3, , , Współczynnik k klasy dokładności 2,7 3, Wartości liczbowe tolerancji IT klas dokładności 11, 12, itd. otrzymano w wyniku mnożenia przez 10 tolerancji IT odpowiednio klas 6, 7, itd. (wyjątek stanowi wartość 7,5 zaokrąglona do 8 dla klasy 6 w przedziale wymiarów nominalnych od 3 do 6 mm). 2. Dla wymiarów do 1 mm nie przewiduje się klas dokładności od 14 do

16 Tablica 4.2. Symbole graficzne nierówności powierzchni Symbol graficzny Interpretacja i przykład Nierówności powierzchni równoległe do widoku płaszczyzny rzutowania, do której stosuje się symbol Nierówności powierzchni prostopadłe do widoku płaszczyzny rzutowania, do której stosuje się symbol Nierówności powierzchni skrzyżowane w dwóch ukośnych kierunkach do widoku płaszczyzny rzutowania, do której stosuje się symbol Nierówności powierzchni wielokierunkowe Nierówności powierzchni, w przybliżeniu współśrodkowe względem środka powierzchni, do której stosuje się symbol Nierówności powierzchni, w przybliżeniu promieniowe względem środka powierzchni, do której stosuje się symbol Nierówności powierzchni szczególne, bez określonego kierunku lub punktowe UWAGA. Jeśli jest konieczne podanie kierunkowości struktury powierzchni, której nie można jasno określić za pomocą tych symboli, to należy podać odpowiednią uwagę na rysunku

17 Rys Podstawowe elementy struktury geometrycznej powierzchni [41] Rys Schemat budowy warstwy wierzchniej [34] struktury (tabl. 4.2). Własności warstwy przypowierzchniowej charakteryzuje: twardość, zmiany strukturalne oraz wartość zgniotu, głębokość zalegania i znak naprężeń (rys. 4.4). Ponadto dla powierzchni określa się rodzaje uszkodzeń: rysy, pęknięcia, skazy i zatarcia Tolerancje i pasowania wymiarów liniowych i kàtowych Wymiar tolerowany to taki, którego odchyłki są bezpośrednio określone. Określenie odchyłek (tolerowanie) może być: przez podanie za wymiarem nominalnym wartości odchyłek granicznych (15 +0,025 0, ,018, 8 +0, ,012 ) lub 162

18 Rys Odchyłki i pola tolerancji otworu i wałka symbolu reprezentującego odchyłki (15H8, 15h7, 30g6), za pomocą wymiarów granicznych, a w układach wymiarowania wektorowego za pomocą tolerowania wektorowego. Wymiary graniczne, dolny A igórny B, to wymiary, między którymi powinien być zawarty lub być równy jednemu z nich wymiar rzeczywisty dobrze wykonanej części. Wymiar, względem którego określa się odchyłki graniczne i odchyłkę zaobserwowaną, nazywa się wymiarem nominalnym D (rys. 4.5). Odchyłka graniczna to różnica algebraiczna wymiaru granicznego (górnego lub dolnego) i wymiaru nominalnego. Przyjęto zasadę oznaczania odchyłek oraz położenia pola tolerancji względem wymiaru nominalnego małymi literami dla wałków i dużymi dla otworów (patrz rys. 4.5). Odchyłki górne es, ES i dolne ei, EI wyznacza się jako następujące różnice algebraiczne es = B w D oraz ES = B o D ei = A w D oraz EI = A o D w których: indeks w oznacza wałek, indeks o otwór. Wartość tolerancji oblicza się z zależności T w = es ei oraz T o = ES EI lub T w (o) = B w (o) A w (o) Tolerancje normalne, tzn. zgodne z PN-EN :1996 i PN-ISO 1829: :1996, oznacza się symbolem literowym IT i symbolem cyfrowym klasy dokładności (wartości tolerancji): IT01, IT0, IT1, IT2,..., IT18. Wartości tolerancji są przyporządkowane zakresom wymiarów nominalnych: ponad do. Podstawowa zasada tolerowania ujęta w normie PN-M-01142:1988, zalecana do stosowania, to zasada niezależności tolerancji wymiarów od tolerancji kształtu. Kształt części powinien być tolerowany oddzielnie. Zasada tradycyjna to zasada zależności

19 Rys Położenia pól tolerancji wałków i otworów wg zasady: a) stałego otworu (powszechnie stosowany), b) stałego walka oraz ich symbole literowe Oznaczenia pól tolerancji składają się z liter i cyfr duże litery są stosowane do otworów (od A do ZC), a małe do wałków (od a do zc), np. H7, g6 (rys. 4.6) 1). Cyfra za symbolem literowym oznacza klasę dokładności (wartość tolerancji). Litery oznaczają położenie odchyłek względem wymiaru nominalnego. Przyjmuje się zasadę tolerowania w głąb materiału. Otwory i wałki oznaczone H oraz h nazywa się podstawowymi. Łączenie (kojarzenie) wałków i otworów nazywa się pasowaniem, które może być obrotowe, mieszane i wciskane, oznaczone symbolowo, np. H7/f7, H7/h6, H8/s7. 1) Ze względów dydaktycznych zamieszczony rysunek różni się od podanego w normie PN- -EN :1996, który obejmuje podział na pasowania luźne, ciasne i mieszane. 164

20 W celu ograniczenia liczby możliwych kojarzeń wprowadzono zasady pasowania według: stałego otworu otwór podstawowy H z odchyłką dolną EI = 0, a górną równą wartości tolerancji określonej przez zadaną klasę dokładności, kojarzy się z dowolnie tolerowanym wałkiem; stałego wałka (stosowana tylko w specjalnych przypadkach) wałek podstawowy h z odchyłką górną es = 0 i dolną równą wartości tolerancji określonej przez wymaganą klasę dokładności, kojarzy się z dowolnie tolerowanym otworem. Przykłady odchyłek podano w tablicy 4.3. Tablica 4.3. Odchyłki w μm dla wybranych pól tolerancji (wg PN-EN :1996) Wymiar nominalny Otwory Wałki mm powyżej do D11 F8 F9 K7 N7 d9 d10 e8 f7 f8 k6 n6 s7 u

21 Wymiary tolerowane podlegają działaniom matematycznym (dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie, potęgowanie itd.) Wynikiem tych działań może być wyznaczenie wymiaru nastawczego przy obróbce, obliczenie rozrzutu objętości komory spalania silnika dla zadanych tolerancji wykonania itd. Aa B ; a2 b2 ( a2 + b2 ) + B ( ) 1 b = A + 1 ( a1 + b1 ) A a2 a1 B b2 b1 = ( A B) ( a2 b1 ) ( a1 b2 ) K a2 K a2 a2 b2 Ab2 + Ba2 Aa = ( K A ) 1 K a, A ( ) 1 a B 1 b = A B 1 Ab1 + Ba1 Wymiary nietolerowane (swobodne) powinny mieć odchyłki zgodne z tolerancjami ogólnymi, określonymi przez PN-EN :1999. Rys Tolerancje kątów: a) pole tolerancji kąta klina, b) pole tolerancji kąta stożka, c) pole tolerancji kąta stożka o zbieżności C > 1:3 [14] Tablica 4.4. Wybrane tolerancje kątów w budowie maszyn (wg PN-M-02136:1977) Długość krótszego ramienia kąta w mm od do " " " " " " ,5" Klasy dokładności tolerancje AT a 16" 13" 10" 8" 6" 5" 4" 26" 21" 16" 13" 10" 8" 6" 41" 33" 26" 21" 16" 13" 10" 1'05" 52" 41" 33" 26" 21" 16" 1'43" 1'22" 1'05" 52" 41" 33" 26" 2'45" 2'10" 1'43" 1'22" 1'05" 52" 41" 4'18" 3'26" 2'45" 2'10" 1'43" 1'22" 1'05" 6'52" 5'30" 4'18" 3'26" 2'45" 2'10" 1'43" 166

22 Podstawowe pojęcia związane z tolerancjami wymiarów kątowych są podobne do pojęć związanych z wymiarami liniowymi. Układ tolerancji kątów wg PN-M-02136:1977 ujmuje tolerancje kątów AT α, AT h, AT D (rys. 4.7), dla 17 klas dokładności (tabl. 4.4). Wyższy numer klasy dokładności oznacza większą tolerancję, podobnie jak przy wymiarach liniowych. Wartość tolerancji zależy od zakresu wartości kątów tolerowanych i jest podawana względem krótszego ramienia kąta. Im dłuższe ramię, tym tolerancja mniejsza ze względu na łatwiejszy pomiar. Tolerancja kąta może być wyrażona: w jednostkach kąta płaskiego w μrad lub stopniach, minutach i sekundach (,',''), oznaczona AT α, np. 30 ±8'30'', 1 +AT5 ; jako długość odcinka prostopadłego do ramienia kąta w odległości nominalnej krótszego ramienia kąta lub tworzącej w przypadku stożka, AT h ; jako różnica średnic stożków utworzonych przez kąty graniczne górny i dolny, odniesiona do długości nominalnej L stożka, AT D, np. 30 ± 0,01 60 (L = 60 mm, różnica średnic 0,02 mm) Pomiary geometryczne Pomiar to zespół czynności doświadczalnych, których celem jest wyznaczenie wartości wielkości mierzonej. Wartość wielkości mierzonej, np. średnicy, wysokości, kąta, jest liczbową miarą wyniku pomiaru, czyli iloczynem liczby i jednostki miary mierzonej wielkości. Metrologia wielkości geometrycznych jest jedną z dziedzin metrologii technicznej, która zajmuje się pomiarami długości i kątów. Celem tych pomiarów jest ustalenie wymiarów charakteryzujących postać geometryczną mierzonych elementów, będących najczęściej częściami maszyn, przyrządów i urządzeń. Pomiary geometryczne obejmują również wyznaczanie odchyłek kształtu i położenia tych elementów, a także określanie struktury geometrycznej powierzchni, tj. chropowatości i falistości oraz kierunkowości i wad struktury. Pomiary obejmują również sprawdzanie, które dotyczy określenia stanu jakości danego elementu lub wyrobu. Wynikiem może być wartość sprawdzanej wielkości (średnica mierzona mikrometrem) lub zakres wartości (średnica sprawdzana sprawdzianem), a także stwierdzenie, czy element jest dobry (czy występują wady struktury). Podstawową jednostką długości (wzorcem) jest 1 metr. Najnowsza (piąta) definicja metra została ustalona na XVII Generalnej Konferencji Miar w 1983 roku: metr jest to długość drogi przebytej w próżni przez światło w ciągu 1/ sekundy (przy założeniu, że prędkość światła w próżni jest stała i wynosi m/s). Błędy graniczne odtworzenia wzorca metra 167

23 nie przekraczają ±1, m. Podstawową jednostką miary kąta płaskiego jest radian, zdefiniowany jako kąt płaski, obejmujący łuk równy promieniowi koła. Ze względu na brak nieskończenie dokładnych przyrządów i urządzeń pomiarowych oraz występowanie zakłóceń wywoływanych przez tzw. wielkości wpływowe (zmiany temperatury, zmiany nacisku pomiarowego itp.) każdy pomiar jest obarczony błędem. Błąd pomiaru d to różnica między wartością zmierzoną x a wartością prawdziwą wielkości mierzonej. Wartość prawdziwa nigdy nie jest znana. W praktyce za wartość prawdziwą przyjmuje się tzw. wartość umownie prawdziwą x p d = x x p Wartość umownie prawdziwa, zwana też wartością poprawną x 0, jest dostatecznie bliska wartości rzeczywistej. Wartość poprawna jest definiowana jako wynik innego, dostatecznie dokładnego pomiaru danej wielkości. W postępowaniu pomiarowym rozróżniamy sposób pomiaru i metodę pomiaru. Sposób pomiaru określają czynności pomiarowe i kolejność ich wykonania. Metoda pomiarowa to sposób porównania, zastosowany w pomiarze. Wyróżnia się: metodę bezpośrednią, w której wartość wielkości mierzonej (wynik pomiaru) uzyskujemy wprost z pomiaru, np. długość, średnicę, kąt; metodę pośrednią, która wymaga bezpośrednich pomiarów innych wielkości, funkcyjnie związanych z wielkością mierzoną, a następnie obliczenia wartości poszukiwanej, np. wyznaczenie odległości między osiami otworów wymaga pomiaru najmniejszej i największej odległości między ściankami obu otworów; metodę złożoną, która polega na jednoczesnym wyznaczaniu kilku wartości wielkości mierzonych z układu równań, utworzonych na podstawie pomiarów wielkości pomocniczych. Z uwagi na źródła (przyczynę) błędów dzieli się je na błędy: metody, wskazania narzędzia pomiarowego i obserwacji. Błędy metody wynikają z przyjęcia założeń upraszczających, idealizujących budowę narzędzi pomiarowych oraz pominięcia pewnych wielkości zakłócających. Błędy wskazania narzędzi pomiarowych wynikają z niedokładności ich wykonania, jak np. błędy podziałki, nierównoległość szczęk, błędy skoku gwintu. Błędy obserwacji są popełniane przez człowieka wykonującego pomiar. Są to m. in. błędy odczytu wynikające z interpolacji, ustawienia linii krzyża na krawędzi przedmiotu, paralaksy (rys. 4.8). Podczas odczytu wyniku 168

24 296

25 Rys Podstawowe odmiany szlifowania: a) szlifowanie kłowe wałków, b) szlifowanie bezkłowe wałków, c) szlifowanie wgłębne, d) szlifowanie otworów (zwykłe), e) szlifowanie otworów planetarne, f) szlifowanie powierzchni obwodem ściernicy, g) szlifowanie powierzchni czołem ściernicy u s prędkość ściernicy, u p prędkość przedmiotu, a p grubość skrawania, H szerokość ściernicy, u tp prędkość obwodowa tarczy pomocniczej, L przemieszczenie tarczy, l długość wałka, f posuw wzdłużny, a kąt nachylenia ściernicy pomocniczej względem głównej, l w droga wyjścia, l d droga dojścia, D s średnica tarczy segmentowej, d p średnica przedmiotu, d s średnica ściernicy do otworów [3] Szlifowanie płaszczyzn może być wykonywane powierzchnią walcową lub czołową ściernicy (rys. 5.68e, f, g). Przy szlifowaniu zgrubnym (powierzchnią walcową) stosuje się głębokość szlifowania a p = 0,015 0,05 mm i posuw wzdłużny f t do 70 m/min, przy szlifowaniu wykańczającym a p = 0,005 0,01 mm i f t = m/min. Przy szlifowaniu wykańczającym czołem ściernicy a p = 0,005 0,01 mm i f t = m/min. Do szlifowania materiałów twardych stosuje się spoiwa miękkie, a do materiałów miękkich spoiwa twarde. Prędkość skrawania jest ograniczona wytrzymałością spoiwa na rozerwanie ściernicy przez siły odśrodkowe. W zależności od zastosowanego spoiwa prędkości skrawania wynoszą: u = 35 m/s spoiwa ceramiczne (tradycyjne), u = 45 m/s spoiwa magnezytowe, u = m/s spoiwa elastyczne, u = m/s spoiwa metalowo-galwaniczne. Prawidłowy przebieg procesu szlifowania wymaga poprawnego zamocowania, obciągania i wyrównoważenia tarczy ściernej. Obciąganie polega na usunięciu bicia promieniowego i wzdłużnego ściernicy (nadania wymaganej geometrii lub jej przywrócenia w przypadku stępienia) za pomocą obciągacza diamentowego. Wyrównoważanie statyczne (należy je zawsze stosować) polega na doprowadzeniu środka ciężkości tarczy do położenia osiowego

26 Rys Szlifierka CNC do wałków rozrządu i krzywek 1, 2 diamentowe rolki kształtowe do obciągania, 3 ściernica [29] Wyrównoważanie dynamiczne polega na ograniczeniu do możliwego minimum momentów sił bezwładności, powstających wskutek niejednorodnego rozkładu masy ściernicy. Powinno być stosowane bezpośrednio na wrzecionie szlifierki, jeżeli prędkość obwodowa tarczy jest większa niż 45 m/s. Najczęściej stosowanymi materiałami ściernymi są: korund lub elektrokorund Al 2 O 3, węglik krzemu SiC, węglik boru B 4 C, regularny azotek boru B 4 N i diament. Oznaczanie ściernic jest ujęte w PN ISO 525:2001 i określa: kształt i wymiary, materiał i wielkość ziaren, rodzaj spoiwa, strukturę i twardość ściernicy. Podstawowe rodzaje szlifierek to: kłowe, bezkłowe, do płaszczyzn, do otworów, do gwintów, ostrzarki do narzędzi oraz szlifierki CNC (rys. 5.69). Szlifowanie osiowe wałków tarczą, której oś obrotu jest prostopadła do osi wałka, a posuw następuje wzdłuż jego osi, stosuje się do obróbki wałków smukłych z kruchych materiałów. Rys Schemat kinematyki szlifowania wałków metodą: a) konwencjonalną, b) osiową b szerokość ściernicy, n s prędkość obrotowa ściernicy, n w prędkość obrotowa wałka, a p głębokość szlifowania, f posuw, d średnica tarczy szlifierskiej 298

27 Podczas szlifowania metodą konwencjonalną rysy i mikropęknięcia, powstające w kierunku prostopadłym do osi wałka, przyczyniają się do propagacji pęknięć zmęczeniowych. W materiałach kruchych w kierunku szlifowania powstają głębsze mikropęknięcia i rysy niż w kierunku do niego prostopadłym. Jeżeli zastosujemy metodę szlifowania osiowego, to rysy wystąpią wzdłuż osi wałka i w mniejszym stopniu wpłyną na obniżenie momentu bezwładności jego przekroju oraz nie ułatwią rozwoju poprzecznych pęknięć zmęczeniowych. Dzięki temu wytrzymałość wałków smukłych może się zwiększyć do 25%. Porównanie tej metody szlifowania z metodą konwencjonalną przedstawiono na rys Podczas szlifowania osiowego powierzchnia styku ściernicy z przedmiotem jest znacznie mniejsza niż podczas szlifowania konwencjonalnego, co zmniejsza siły szlifowania i polepsza dokładność wykonania. Równomierne zużycie czynnej powierzchni ściernicy uzyskuje się dzięki niewielkiemu skręceniu jej osi. Pytania i zadania 1. Co oznacza pojęcie techniki wytwarzania? Jakie są kryteria klasyfikacji technik wytwarzania? 2. Dokonaj podziału technik wytwarzania obróbki skrawaniem. 3. Scharakteryzuj obróbkę ręczną i ręczno-maszynową. 4. Na czym polega ustalanie i mocowanie przedmiotów na obrabiarkach? 5. Podaj zasadę działania systemów bardzo dokładnego i szybkiego mocowania. 6. Scharakteryzuj elementy geometrii ostrzy narzędzi skrawających w różnych układach odniesienia. 7. Przedstaw proces toczenia i wytaczania: zasadę procesu, narzędzia, parametry technologiczne i geometryczne, obrabiarki i zastosowanie. 8. Omów proces frezowania: zasadę procesu, rodzaje frezowania, parametry, narzędzia, obrabiarki, dokładność obróbki i zastosowanie. 9. Scharakteryzuj procesy strugania i dłutowania. 10. Omów procesy: wiercenia, pogłębiania, rozwiercania i nawiercania. 11. Przedstaw procesy przeciągania i przepychania: podaj definicję procesów, zaprezentuj narzędzia, parametry, dokładność obróbki i zastosowania. 12. Wyjaśnij, jaka jest istota procesu szlifowania, podaj rodzaje szlifowania, parametry tego procesu, rodzaje stosowanych narzędzi, uzyskiwaną dokładność. Podaj też zastosowanie szlifowania. 13. Omów frezy z wymiennymi wkładkami do gwintowania. 14. Podaj cechy wierteł z rowkami na powierzchniach natarcia i przyłożenia. 15. Wyjaśnij zasadę szlifowania osiowego wałków i wynikające z niego korzyści